(57)【要約】【課題】アクチュエータの圧電体として高配向結晶の圧電電歪膜を用いるとともに、下部電極との密着性を強化する。【解決手段】基板上に圧電体と圧電体を挟持する様に配された一対の電極とが設けられたアクチュエータであって、一対の電極のうち少なくとも一方の電極中の少なくとも圧電体側及び圧電体中の少なくとも前記一方の電極側に、鉛合金の領域を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に圧電体と該圧電体を挟持する様に配された一対の電極とが設けられたアクチュエータであって、
前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極中の少なくとも前記圧電体側及び前記圧電体中の少なくとも前記一方の電極側に、鉛合金の領域を有することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記鉛合金の領域が、厚さ１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の層であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記鉛合金の領域中の鉛含有率が、面方向に一定で前記圧電体との接触面で最大となり、且つ該接触面側から厚み方向に向かって単調減少していることを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記鉛合金の領域中の、前記圧電体との接触面から鉛含有率が１０質量％の面までの厚さが１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記鉛合金の領域の、前記基板と平行な面の優先結晶配向面が（１００）面又は（１１１）面であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記（１００）面又は（１１１）面の配向率が７０％以上であることを特徴とする請求項５に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記圧電体が、Ｐｂと、Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｚｎ及びＳｃからなる群から選択された少なくとも１種類の元素とを含む酸化物圧電体であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記酸化物圧電体は、前記基板に平行な面における優先結晶配向を示す面の配向率が７０％以上であることを特徴とする請求項７に記載のアクチュエータ。
【請求項９】
前記酸化物圧電体中の前記優先結晶配向を示す面を有する結晶の結晶系が、菱面体晶又は正方晶であることを特徴とする請求項８に記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
前記酸化物圧電体の膜厚が１００ｎｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項７〜９の何れか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
アクチュエータと、インク吐出口に連通する圧力室を形成する部材とを有し、前記圧力室に対応して前記アクチュエータが前記部材上に設けられたインクジェットヘッドであって、前記アクチュエータが請求項１〜１０の何れか１項に記載のアクチュエータであることを特徴とするインクジェットヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータ及びインクジェットヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、印字性能がよく取り扱いが簡単、低コストなどの理由からパソコンなどの印刷装置として液体噴射記録装置を用いたプリンタが広く普及している。この液体噴射記録装置には、熱エネルギーによってインク等の液体中に気泡を発生させ、その気泡による圧力波により液滴を吐出させるもの、静電力により液滴を吸引吐出させるもの、圧電素子のような振動子による圧力波を利用したもの等、種々の方式がある。
【０００３】
一般に、圧電素子を用いた液体噴射記録装置は、例えば、液体供給室に連通した圧力室とその圧力室に連通した液吐出口とを備え、その圧力室に圧電素子が接合された振動板が設けられて構成されている。このような構成において、圧電素子に所定の電圧を印加して圧電素子を伸縮させることにより、たわみ振動を起こさせて圧力室内のインク等の液体を圧縮することにより液吐出口から液滴を吐出させる。
【０００４】
近時、カラーの液体噴射記録装置が普及してきたが、その印字性能の向上、特に高解像度化および高速印字さらには液体噴射ヘッドの長尺化が求められており、そのため液体噴射ヘッドを微細化したマルチノズルヘッド構造を実現することが求められている。そして、液体噴射ヘッドを微細化するためには、液体を吐出させるための圧電素子を小型化することが必要となっている。
【０００５】
圧電体を用いたアクチュエータおよび液体噴射ヘッドにおいて、圧電素子を小型化するためには、圧電体がより微細化され、小型化しても駆動能力が低くならないような高い圧電定数を持つ必要がある。
【０００６】
このことは、圧電体である圧電体膜が結晶性の優れた膜であることが必要なことを示している。結晶性が優れた膜とは、高配向結晶薄膜であり、結晶性が制御された膜である。圧電体膜が高配向結晶であるためには、圧電体膜作製時の直下の層がより高い結晶性を有する層であり、かつ圧電体膜と直下の層との格子整合性がよい組み合わせであるのが望ましい。
さらに、アクチュエータ及びインクジェットヘッドの高精細化において、圧電体膜を薄膜化することが必要とされている。しかし、圧電体膜の薄膜化によって圧電体膜とその直下の層との界面にかかる応力による膜はがれの問題がある。従って、圧電体膜と直下の層との密着性がよい必要がある。
【０００７】
特許文献１では、上部電極又は下部電極の少なくとも一方に単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜を用いることによって、圧電体薄膜と電極との密着性が向上されたアクチュエータが開示されている。特許文献２では、上部電極又は下部電極のうち少なくとも下部電極中にＬａがドープされたＳｒ及びＴｉを含む単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜を用いることによって、小型で圧電電歪性に優れ、圧電体薄膜と電極との密着性が向上されたアクチュエータが開示されている。特許文献３では、圧電体と下部電極として、それぞれ単一配向結晶または単結晶の酸化物薄膜を用いるとともに、下層となる下部電極の方が圧電体より格子定数が大となる組み合わせの薄膜材料を選択することで、下部電極と圧電体の密着性が向上されたアクチュエータが開示されている。
【特許文献１】特開２００４−７１９４５号公報
【特許文献２】特開２００４−７１９３３号公報
【特許文献３】特開２００４−１２８１７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
これまで、この圧電素子中の圧電体膜は、例えば、ＰｂＯ、ＺｒＯ2およびＴｉＯ2の粉末のペーストをシート状に成型加工（グリーンシート）した後、焼結することにより形成する方法が採用されていた。しかし、この形成方法では圧電体膜を例えば１０μｍ以下に薄く形成することが困難であった。また、グリーンシートの焼結は１０００℃以上の温度で行うため、この加温時に圧電体膜が７０％程に収縮してしまうという問題があり、圧電体膜とインク室等の構造体とを数ミクロンオーダーの寸法精度で位置合わせをすることは困難であった。このため、圧電素子自体を小型化することが困難であった。
【０００９】
また、グリーンシートを焼結することにより形成されたセラミックス圧電体膜は、その厚さが薄くなるにしたがって、結晶粒界の影響が無視できないようになり、良好な圧電および／または電歪特性（以下、「圧電電歪特性」という。）を得ることができなかった。その結果、グリーンシートを焼結することにより形成された圧電体膜は、１０μｍ以下になると記録液を吐出させるための十分な圧電電歪特性を得ることができないという問題点があった。
【００１０】
現在報告されている上記以外の圧電体膜の作製方法としてスパッタ法やＣＶＤ法、ＭＢＥ法、ゾルゲル法などを用いて酸化物圧電体膜を得る方法がある。これらの方法を用いて酸化物圧電体膜を成膜するとそれらの膜厚は１０μｍ以下に薄く形成することができる。しかし、これらの方法によって作製した圧電体膜は、その密度が高いために、膜の面内応力が非常に高い。これにより、下部電極と酸化物圧電体膜との間の密着性が悪くなるという問題がある。アクチュエータ及びインクジェットヘッドの圧電体としての繰り返し駆動で発生する応力に耐え得る為には、下部電極と酸化物圧電体膜との間に高い密着性が必要とされる。
【００１１】
本出願に係る第１の発明の目的は圧電体膜と電極との密着性が高く、且つ耐久性の高い素子を得ることにある。
本出願に係る第２の発明の目的は結晶性が制御された高い配向性を有する圧電体膜を得ることにある。
【００１２】
また、本発明で得られた圧電体膜は密着性が高く、高い配向性を有する薄膜であるために、半導体プロセスで一般に用いられている微細加工の利用を可能とし、高密度に形成された液吐出口を有し、信頼性が高いインクジェットヘッドおよびインクジェットヘッドに利用することができるアクチュエータを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を有することを特徴とする。すなわち、本発明は  基板上に圧電体と該圧電体を挟持する様に配された一対の電極とが設けられたアクチュエータであって、
前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極中の少なくとも前記圧電体側及び前記圧電体中の少なくとも前記一方の電極側に、鉛合金の領域を有することを特徴とするアクチュエータに関する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は上述のとおり構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
電極（上部電極、下部電極又は上部電極と下部電極の両電極）として一部または全てが鉛合金の領域で形成された金属電極を用い、圧電体として、鉛合金の領域を有する電極側の一部又は全部が鉛系材料（鉛合金の領域）で形成された圧電体を用いることにより、上部に形成する高配向結晶の酸化物圧電体膜を得ることができ、アクチュエータの小型化および液体噴射ヘッドの高精細化を促進することができる。加えて、電極と圧電体膜との間の密着性を向上させ、小型かつ高性能で、しかも耐久性にすぐれたアクチュエータおよびインクジェットヘッドを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明のアクチュエータでは電極及び圧電体としてそれぞれ、鉛合金の領域及び鉛系酸化物材料を選択することで、電極と酸化物圧電体膜との互いに接触する面は鉛含有の領域とすることができる。このように、電極と酸化物圧電体膜の接触面が鉛含有の領域であるため、圧電体膜が成膜される際にかかる面内応力が緩和され、機械的変位を繰り返しても、電極と酸化物圧電体膜との界面の密着力の劣化を防ぐことができ、耐久性に優れた素子となる。
【００１６】
本発明のアクチュエータは、基板上に順次、結晶方位がそろった膜が成膜されているため、インクジェットヘッドに用いた場合には各ノズル毎の素子の性能のばらつきが少なく、且つ層間の密着強度の強いデバイスとすることができる。また、小型化に十分な圧電電歪特性と、さらに機械特性を得ることができる。更に、本発明のアクチュエータは高配向結晶の圧電体膜を有するため、耐久性にも優れた素子とすることができる。
【００１７】
（鉛合金の領域）
本発明のアクチュエータでは、下部電極又は上部電極の少なくとも一方の層中の圧電体側に鉛合金の領域を有する。鉛合金の領域とは、鉛と他の金属からなる合金層のことを表す。また、圧電体の鉛合金の領域を有する電極側にも鉛系材料（鉛合金の領域）を設けることによって、圧電体と上部電極との密着性を高めることができる。すなわち、上部電極と下部電極が鉛合金の領域を有する場合には、圧電体も上部電極側及び下部電極側に鉛系材料を有する。下部電極と上部電極中に鉛合金の領域を有する場合、この鉛合金の領域中の鉛含有率は同一であっても、異なっていても良い。例えば、一方の電極では鉛含有率が一定で、他方の電極では鉛含有率が厚み方向に変化していても良い。
【００１８】
鉛合金の領域は、電極の少なくとも一部に含まれていれば良く、電極の全てが鉛合金の領域から構成されていても良い。電極の一部に鉛合金の領域が含まれる場合、電極は複数の層から構成されることになるが、少なくとも電極の圧電体側に鉛合金の領域を１層、有する必要がある。また、電極中に含まれる鉛合金の領域の数は１層に限定されるわけではなく、組成の異なる複数の層を含んでいても良い。
【００１９】
鉛合金の領域中の鉛含有率は面方向に一定であるが、厚み方向には一定であっても、一定でなくても良い。電極層中の厚み方向の鉛含有率が一定でない場合、電極と圧電体との接触面で最大鉛含有率となり、厚さ方向の圧電体と反対方向（例えば、下部電極では圧電体との接触面側から厚さ方向の振動板側に向かう方向。上部電極では圧電体との接触面側から厚さ方向の上方向。）に向かって鉛含有率が単調減少していることが好ましい。この場合、鉛合金層中の最小鉛含有率としては例えば、１質量％とすることができる。なお、鉛含有率は、膜の厚さ方向の定量分析が可能なオージェ電子分光法（ＡＥＳ）、二次イオンスペクトル質量分析法（ＳＩＭＳ）、或いはラザフォード後方散乱（ＲＢＳ）の方法によって測定することができる。
【００２０】
このように厚み方向で鉛含有率の濃度勾配を有することによって、電極が成膜される際にかかる面内応力がより効果的に緩和され、電極と圧電体との界面の密着力を強力にし、より耐久性に優れた素子とすることができる。このように金属電極と圧電体膜との密着性をより高めるためには、電極の圧電体側に鉛合金の領域、圧電体の電極側に鉛系材料層を設け、この両層間での鉛の相互拡散により結合力を強化する必要がある。
【００２１】
この鉛合金の領域の、鉛含有率が最も多い面（圧電体との接触面）から鉛含有率が１０質量％の面までの厚さは、１ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましい。鉛合金層の厚さが１ｎｍ未満では、密着層として薄過ぎて機能しない。また、１０００ｎｍを越えると電極として用いるＰｔ族金属が持つＳｉ基板側への鉛の拡散を防ぐバリア層としての効果がなくなってしまう。
【００２２】
電極中の鉛合金の領域の基板と平行な面の優先結晶配向面は（１００）面又は（１１１）面であることが好ましい。ここで、優先結晶配向面とは配向率が５０％以上の面のことを表す。鉛合金の領域の結晶方位が（１００）又は（１１１）面であるとき、上部電極または下部電極間に成膜される圧電体が所定の面方位となるように優先的に配向成長し、圧電体の基板と平行な面の結晶方位は（００１）、（１００）、（１１０）又は（１１１）面のいずれかになる。
【００２３】
鉛合金の領域の（１００）又は（１１１）面の配向率は、７０％以上であることが好ましい。配向率が７０％未満のとき、３０％以上の他の方位に配向した結晶あるいは異相が存在するため、良好な電気特性を阻害するばかりでなく、これらの電極上に成膜する圧電体の結晶性を劣化させる可能性がある。より好ましくは配向率は８５％以上であるのが良い。ここで、配向率とはＸＲＤ（Ｘ線回折）のθ―２θ測定によって得られる膜のピーク強度比による配向率である。
【００２４】
（圧電体）
本明細書で「圧電体」とは、電界を加えると機械的な歪みを生じる性質を有する物質のことを表す。圧電体は高配向の電極上に形成されるため、高配向結晶となる。
【００２５】
圧電体はＰｂと、Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｉ，Ｎｂ，Ｍｇ，Ｚｎ及びＳｃからなる群から選択される少なくとも１種類の元素とを含む高配向結晶の酸化物薄膜であることが好ましい。圧電体がこれらの元素を有することによってより効果的に電極との密着性を高めることができる。
【００２６】
本発明で使用する高配向結晶の圧電体としては、ペロブスカイト型のものが好ましい。圧電体としては以下の物が選択出来る。
例えば、
ＰＺＴ：［Ｐｂ（ＺｒxＴｉ1-x）Ｏ3］、
ＰＭＮ：［Ｐｂ（ＭｇxＮｂ1-x）Ｏ3］、
ＰＮＮ：［Ｐｂ（ＮｂxＮｉ1-x）Ｏ3］、
ＰＳＮ：［Ｐｂ（ＳｃxＮｂ1-x）Ｏ3］、
ＰＺＮ：［Ｐｂ（ＺｎxＮｂ1-x）Ｏ3］、
ＰＭＮ−ＰＴ：｛（１−ｙ）［Ｐｂ（ＭｇxＮｂ1-x）Ｏ3］−ｙ［ＰｂＴｉＯ3］｝、
ＰＳＮ−ＰＴ：｛（１−ｙ）［Ｐｂ（ＳｃxＮｂ1-x）Ｏ3］−ｙ［ＰｂＴｉＯ3］｝、
ＰＺＮ−ＰＴ：｛（１−ｙ）［Ｐｂ（ＺｎxＮｂ1-x）Ｏ3］−ｙ［ＰｂＴｉＯ3］｝である。
【００２７】
ここで、ｘおよびｙは０〜１の数である。例えば、ＰＺＴの場合ｘは０．４〜０．７、ＰＭＮではｘは０．２〜０．５、ＰＳＮではｘは０．４〜０．７が好ましく、ＰＭＮ−ＰＴのｙは０．２〜０．４、ＰＳＮ−ＰＴのｙは０．３５〜０．５、ＰＺＮ−ＰＴのｙは０．０３〜０．３５が好ましい。
【００２８】
高配向結晶の酸化物圧電体は単一組成の層であっても良いし、異なる組成を有する２種類以上の層の組み合わせでも良い。２種類以上からなる圧電体の構成としては、結晶構造制御のために異種の組成のアンカー層を成膜したのちに成膜したものであっても良い。また、上記主成分に微量の元素をドーピングしたものであっても良い。ここでアンカー層とは、所望の組成、配向の圧電体を得る為に、予め形成しておく下引き層である。
【００２９】
圧電体が複数の層からなる場合、少なくとも鉛合金の領域を有する電極側の層は鉛系材料層（鉛合金の領域）の必要がある。すなわち、下部電極の圧電体側に鉛合金の領域を設ける場合には、圧電体の下部電極側に鉛系材料層（鉛合金の領域）を設ける必要がある。また、上部電極の圧電体側に鉛合金の領域を設ける場合には、圧電体の上部電極側の層も鉛系材料層にする必要がある。圧電体の鉛合金の領域を有する電極側に鉛系材料層を設けることによって両電極（上部電極及び下部電極）と圧電体との密着性を向上させることができる。
【００３０】
圧電体の圧電電歪特性は、結晶方位が（００１）、（１００）、（１１０）又は（１１１）面のときに特に良好となる。圧電体の基板に平行な面において、優先結晶配向を示す面の配向率は７０％以上であることが好ましい。圧電体の配向率が７０％未満のとき、３０％以上の他の方位に配向した結晶あるいは異相が存在するため、このことが素子の圧電電歪特性が劣化させる原因となる可能性がある。
【００３１】
酸化物圧電体の優先結晶配向を示す面を有する結晶の結晶系は、菱面体晶あるいは正方晶であることが好ましい。結晶系が菱面体晶あるいは正方晶であることにより、高配向結晶の圧電体がアクチュエータ及びインクジェットヘッドを機能させるために十分な駆動を得られ、良好な圧電電歪特性を持つことができる。
【００３２】
圧電体の膜厚は１００ｎｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。膜厚が１００ｎｍ以上であることにより、繰り返し駆動により発生するに対する耐久性に優れ、性能に優れたアクチュエータ及びインクジェットヘッドを得ることができる。なお、圧電体の膜厚が１００ｎｍ未満であるときは、駆動を繰り返して行うと欠陥から破損する可能性がある。圧電体の膜厚は、より好ましくは５００ｎｍ以上８μｍ以下である。
【００３３】
（振動版）
振動板としては、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｙ、Ｓｉ及びこれらの酸化物や窒化物、酸化物、並びに高分子有機物からなる群から選ばれた少なくとも１つの材料の薄膜、あるいはこれらの積層体からなることが好ましい。
【００３４】
（アクチュエータ）
次に本発明のアクチュエータの具体的な層構成を列挙する。層構成の表示は、
上部電極／／圧電体／／下部電極／／振動板となっている。また、下部電極と振動板との間にＰｔを配向させるためのＴｉ層を形成しても良い。
例１：Ｐｔ／Ｔｉ／／ＰＺＴ（００１）／／ＰｂＰｔ／Ｐｔ（１１１）／Ｔｉ（１１１）／／ＹＳＺ（１１１）／Ｓｉ（１１１）
以下同様に例示する。
例２：Ａｕ／／ＰＺＴ（００１）／／ＰｂＰｔ／Ｐｔ（１００）／Ｔｉ（１００）／／ＹＳＺ（１１１）／Ｓｉ（１１１）
例３：Ｐｔ／Ｔｉ／／ＰＺＴ（００１）／ＰＴ（００１）／／ＰｂＰｔ／Ｐｔ（１１１）／Ｔｉ（１１１）／／ＹＳＺ（１１１）／Ｓｉ（１１１）
例４：Ａｕ／Ｃｒ／／ＰＺＴ（００１）／ＰＴ（００１）／／ＰｂＰｔ／Ｐｔ（１１１）／Ｔｉ（１１１）／／ＹＳＺ（１００）／Ｓｉ（１００）
例５：Ａｕ／Ｃｒ／／ＰＺＴ（００１）／／ＰｂＰｔ／Ｐｔ（１１１）／Ｔｉ（１１１）／／ＳｉＯ2／Ｓｉ（１００）
例６：Ａｕ／／ＰＺＴ（００１）／ＰＴ（００１）／／ＰｂＰｔ／Ｐｔ（１００）／Ｔｉ（１００）／／ＹＳＺ（１１１）／Ｓｉ（１１１）
例７：Ｐｔ／Ｔｉ／／ＰＺＴ（１１１）／／ＰｂＰｔ／Ｐｔ（１１１）／Ｔｉ（１１１）／／ＳｉＯ2／Ｓｉ（１００）
例８：Ａｕ／／ＰＺＴ（１１１）／／ＰｂＰｔ／Ｐｔ（１１１）／Ｔｉ（１１１）／／ＳｉＯ2／Ｓｉ（１００）
例９：Ｐｔ／Ｔｉ／／ＰＺＴ（１１１）／ＰＴ（１１１）／／ＰｂＰｔ／Ｐｔ（１１１）／Ｔｉ（１１１）／／ＳｉＯ2／Ｓｉ（１００）
例１０：Ａｕ／／ＰＺＴ（１１１）／ＰＴ（１１１）／／ＰｂＰｔ／Ｐｔ（１１１）／Ｔｉ（１１１）／／ＳｉＯ2／Ｓｉ（１００）
例１１：Ｐｔ／ＰｂＰｔ／／ＰＺＴ（１１１）／／Ｐｔ／Ｔｉ／／ＳｉＯ2／Ｓｉ（１００）
例１２：Ａｕ／／ＰＺＴ（１１１）／ＰＴ（１１１）／／ＰｂＩｒ／Ｉｒ（１１１）／Ｔｉ（１１１）／／ＳｉＯ2／Ｓｉ（１００）
例１３：Ｉｒ／ＰｂＩｒ／／ＰＺＴ（００１）／／Ｉｒ／Ｔｉ／／ＳｉＯ2／Ｓｉ（１００）
例１４：Ｉｒ／ＰｂＩｒ／／ＰＺＴ（００１）／／Ｐｔ／Ｔｉ／／ＳｉＯ2／Ｓｉ（１００）
例１５：Ｉｒ／ＰｂＩｒ／／ＰＺＴ（１１１）／／Ｉｒ／Ｔｉ／／ＳｉＯ2／Ｓｉ（１００）
例１６：Ｉｒ／ＰｂＩｒ／／ＰＺＴ（１１１）／／Ｐｔ／Ｔｉ／／ＳｉＯ2／Ｓｉ（１００）
上記具体例としては圧電体をＰＺＴあるいはＰＺＴ／ＰＴとした積層構造を例示したが、これらの圧電体を前述のＰＭＮ、ＰＺＮ、ＰＳＮ、ＰＮＮ、ＰＭＮ−ＰＴ、ＰＳＮ−ＰＴ、ＰＺＮ−ＰＴに適宜変更させた層構成であっても良い。
【００３５】
例えば、Ｐｔ／Ｔｉ／／ＰＭＮ（１１１）／／ＰｂＰｔ／Ｐｔ（１１１）／Ｔｉ（１１１）／／ＳｉＯ2／Ｓｉ（１００）
Ａｕ／／ＰＭＮ−ＰＴ（１１１）／／ＰｂＰｔ／Ｐｔ（１１１）／Ｔｉ（１１１）／／ＳｉＯ2／Ｓｉ（１００）
Ａｕ／／ＰＭＮ−Ｐｔ（１１１）／ＰＴ（１１１）／／ＰｂＰｔ／Ｐｔ（１１１）／Ｔｉ（１１１）／／ＳｉＯ2／Ｓｉ（１００）
Ｐｔ／Ｔｉ／／ＰＭＮ（００１）／／ＰｂＰｔ／Ｐｔ（１１１）／Ｔｉ（１１１）／／ＹＳＺ（１１１）／Ｓｉ（１１１）、
Ａｕ／／ＰＭＮ−ＰＴ（００１）／／ＰｂＰｔ／Ｐｔ（１１１）／Ｔｉ（１１１）／／ＹＳＺ（１１１）／Ｓｉ（１１１）、
Ｐｔ／Ｔｉ／／ＰＭＮ−Ｐｔ（００１）／ＰＴ（００１）／／ＰｂＰｔ／Ｐｔ（１１１）／Ｔｉ（１１１）／／ＹＳＺ（１１１）／Ｓｉ（１１１）
等のようにである。
（  ）で示した結晶方位は前述したように優先配向する結晶配向を示している。
【００３６】
（インクジェットヘッドの製造方法）
本発明では、Ｓｉ基板上に、振動板及びバッファー層の少なくとも一方からなる振動層、下部電極、ペロブスカイト型圧電体及び上部電極を順次積層した積層構造を有し、インク吐出ノズル、圧力室、圧力室と連通したインク供給路を有するインクジェットヘッドを製造することができる。
【００３７】
ここで、バッファー層とはＳｉ基板と電極層との結晶格子ミスマッチを緩和する格子定数を持つ層のことを表す。バッファー層には例えば、ＹＳＺ及びＭｇＯ・Ａｌ2Ｏ3を用いることができる。また、これらバッファー層材料そのものが振動板として十分なヤング率等の物性を満足している場合、バッファー層自体を振動板として用いることが出来る。
【００３８】
この製造方法は、Ｓｉ基板に開口部を設ける工程、Ｓｉ基板の開口部上に振動版及びバッファー層の少なくとも一方の層からなる振動層を成膜する工程、振動層上に、少なくとも振動層側と反対側に鉛合金の領域を有するように下部電極を成膜する工程と、下部電極上にペロブスカイト型圧電体を成膜する工程と、ペロブスカイト型圧電体上に上部電極を成膜する工程と、Ｓｉ基板の振動層が設けられた面と反対側の面に、圧力室及びインク供給路を形成する工程と、インク吐出ノズルを形成したノズルプレートを、インク吐出ノズルとインク供給路との位置合わせをしながら、Ｓｉ基板に接合する工程を含む。なお、下部電極中に鉛合金の領域を設けずに上部電極の圧電体側に鉛合金の領域を設けてもよい。また、上部電極と下部電極の圧電体側に鉛合金の領域を設けても良い。
【００３９】
Ｓｉ基板に開口を設ける工程は、ウェットエッチングやドライエッチングなど公知の加工方法を利用することができる。振動板及びバッファー層の少なくとも一方からなる振動層成膜する工程は、スパッタリングにより形成されることが好ましい。
【００４０】
下部電極を成膜する工程は、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＰＬＤ法、Ｓｏｌ−Ｇｅｌ法、ＭＢＥ法、水熱合成法等の方法を用いて金属電極を成膜する工程である。電極として複数の層を設ける場合には、それぞれ成膜条件を変えれば良い。
【００４１】
下部電極上にペロブスカイト型圧電体を成膜する工程は、スパッタ法、ＣＶＤ法、Ｓｏｌ−Ｇｅｌ法、ＭＢＥ法、水熱合成法等の方法でペロブスカイト型圧電体を成膜、結晶成長させる工程である。圧電体として複数の層を設ける場合には、それぞれ成膜条件を変えれば良い。
【００４２】
ペロブスカイト型圧電体上に上部電極を成膜する工程は、スパッタ法、蒸着法などの気相法、スクリーン印刷法などの塗布法、メッキ法などの液相法により成膜される工程である。
【００４３】
Ｓｉ基板に圧力室、インク供給路を形成する工程は、例えば、異方性エッチングを利用したウェットエッチングやＩＣＰ、リーガプロセス、ボッシュプロセス等のドライエッチングを用いてＳｉ基板へ圧力室、インク供給路を形成する工程である。圧力室の形状は、長方形、円形、楕円形等各種選択することが出来る。また、サイドシューターの場合、圧力室の断面形状をノズル方向に絞った形状にすることも出来る。
【００４４】
吐出口を形成したノズルプレートを圧力室に接合する工程は、例えば、ノズル部分が形成されたノズルプレートを各圧力室部及びインク供給路に対応させて接合する工程である。ノズル部分はレジスト材料等を用いてエッチングにより形成しても良い。また、レーザー加工により各圧力室に対応してノズル部分を形成したポリマー基板を張り合わせても良い。
【００４５】
この製造方法では、圧電体が高配向結晶で、一部または全てが鉛合金の領域で形成された電極を有するアクチュエータ及びインクジェットヘッドを製造することができ、微細で吐出力が大きく、かつ高周波数に対応できる耐久性、密着性を備えたアクチュエータおよびインクジェットヘッドを得ることが出来る。
【００４６】
また、アクチュエータの圧電体を高配向結晶の薄膜とすることで、半導体プロセスによる微細加工を可能にするような薄くて圧電電歪特性にすぐれた圧電素子を得ることができる。
【００４７】
圧電体として高配向結晶の鉛系酸化物材料を有し、少なくとも電極中の圧電体側に鉛金属の領域を有することで、電極と圧電体との密着性が良好な積層構造を得ることができる。
このように十分な圧電電歪特性を有し、しかも電極と圧電体の密着力も高い積層構造によるアクチュエータを実現することで、半導体プロセスを用いた微細加工をアクチュエータの製作に適用可能にし、アクチュエータの小型化と、インクジェットヘッドの高密度化、高性能化を促進できる。
【００４８】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１ないし図３は一実施形態によるインクジェットヘッドを示すもので、このインクジェットヘッドＭは、基板である本体基板部１と、複数のインク吐出ノズル２と、各インク吐出ノズル２に対応して設けられた複数の圧力室（液室）３と、各圧力室３にそれぞれ対応するように配設されたアクチュエータ１０とから構成されており、インク吐出ノズル２は、ノズルプレート４に所定の間隔をもって形成され、圧力室３は、本体基板部（液室基板）１に、液吐出口２にそれぞれ対応するように並列して形成されている。
【００４９】
なお、本実施の形態では、インク吐出ノズル２が下面側に設けられているが、側面側に設けることもできる。
本体基板部１の上面には各圧力室３にそれぞれ対応した図示しない開口部が形成され、その開口部をふさぐように各アクチュエータ１０が位置付けられ、各アクチュエータ１０は、振動板１１と、圧電体膜である圧電体１２と、下部電極１３および上部電極１４とから構成されている。
【００５０】
圧電体１２および下部電極１３は、それぞれ互いに格子整合性のよい高配向の一部または全てが鉛系酸化物材料材料膜及び鉛合金膜である。また、下部電極１３の鉛合金の領域を密着層として機能させるためには、圧電体１２の少なくとも下部電極側には鉛系酸化物材料を選択する。下部電極１３の鉛合金の領域以外の層には金属材料を選択する。特に白金族金属薄膜であるのが好ましい。白金族金属にはＲｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔがある。また、下部電極１３の膜厚は１０ｎｍから２０００ｎｍが好ましい。特に下部電極１３の膜厚は１００ｎｍから１０００ｎｍがより好ましい。これらの層は一層を用いたものであっても、組成の異なる複数層を用いたものであっても良い。また、上部電極が一部に鉛合金の領域を有する場合の鉛合金の領域以外の層、上部電極が鉛合金の領域以外の層のみからなる場合の層としても、同様な組成及び構成の層を用いることができる。
【００５１】
下部電極１３と振動板１１との間には密着層として下部電極１３と異なる金属材料あるいは金属酸化物材料からなる層を設けても良い。この密着層の材料としては例えば、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｉｒが挙げられ、金属酸化物としては例えばＴｉＯ2、ＩｒＯ2が挙げられる。密着層の膜厚は５ｎｍから３００ｎｍが好ましく、１０〜７０ｎｍがより好ましい。また、同様に圧電電歪膜と上部電極との間に同様の密着層を設けることもできる。
【００５２】
図１〜３のアクチュエータでは下部電極１３の圧電体１２側に鉛合金の領域、圧電体の下部電極側に鉛系酸化物材料を有するため、機械的変位を繰り返してもこの下部電極−圧電体間で密着力が保持される。このようにして振動板１１、下部電極１３、圧電体１２、上部電極１４からなる積層構造の密着性を大幅に向上させ、耐久性に優れたアクチュエータを実現できる。
【００５３】
下部電極１３を構成するＰｂを含む鉛合金の領域としては、ＰｂＰｔ、ＰｂＲｕ、ＰｂＲｈ、ＰｂＰｄ、ＰｂＯｓ、ＰｂＩｒが挙げられる。これらの鉛合金の領域を用いることによって、より効果的に下部電極と圧電体との密着性を向上させることができる。
本実施の形態によれば、基板上に順次、振動板１１、下部電極１３、圧電体１２、上部電極１４をそれぞれ結晶配向の方位のそろった膜として成膜することで、インクジェットヘッドの場合等には、各ノズル毎のアクチュエータの性能のばらつきが少なく、かつ層間の密着強度の強いデバイスを得ることができ、さらに小型化に十分な圧電電歪特性および機械特性を得ることができる。また、高配向結晶の圧電体を用いることで、アクチュエータの耐久性も向上させることができる。
【００５４】
本実施形態によるアクチュエータは、前述のように、積層構造となっており、少なくとも圧電体１２と下部電極１３がそれぞれ高配向結晶であり、下部電極１３として一部または全てが鉛合金の領域で形成された金属電極薄膜を、圧電体の下部電極側に鉛系酸化物材料を用いることで、下部電極上に圧電体が成膜される際にかかる圧縮応力が緩和され、下部電極と圧電体の界面にかかる応力による密着力の低下を防ぐことができる。これによって、耐久性に優れたアクチュエータおよびインクジェットヘッドを実現できる。
以下に実施例を説明する。
【実施例】
【００５５】
（実施例１、２）
実施例１、２のアクチュエータの製作手順は以下の通りである。
まず、基体である本体基板部（Ｓｉ基板）の開口部上にスパッタ法で振動板を成膜した。このとき、基体を加熱し、８００℃の温度を保持しながら成膜することによって、振動板を結晶成長し、単一配向とすることができた。次に、同様の方法で下部電極を振動板上に成膜することで、高配向結晶薄膜を得ることができた。さらに、同様の方法で圧電体を下部電極上に成膜することで、高配向結晶の鉛系酸化物材料膜を得ることができた。次に、上部電極を真空蒸着法により成膜した。
【００５６】
次に、基体であるＳｉ基板を、振動板が設けられた面と反対側の面から異方性のウェットエッチング法を行って中央部を取り除き、図２のアクチュエータを作製した。各アクチュエーターの振動部の長さは５０００μｍ、幅は１００μｍである。
【００５７】
このとき、実施例１のアクチュエータでは下部電極として圧電体側に２０ｎｍの鉛合金
層（鉛合金の領域）とＰｔ金属を含むものを用いた。鉛合金層の作製方法は、スパッタ成膜のススパッタリングターゲットであるＰｔターゲット上にＰｂ金属片を置いて成膜を行う方法を用いた。また、実施例２は下部電極としてＰｔ層中に厚さ方向のＰｂ含有率の濃度勾配（面方向に鉛含有率が一定で、圧電体との接触面で最大鉛含有率、振動板との接触面で最小鉛含有率となる濃度勾配）を成膜し、Ｐｔ層中のＰｂ含有率が最も大きな面からＰｂ含有率が１０質量％までの厚さが２０ｎｍである鉛合金層と、Ｐｔ層を有するものを用いた。ここで、実施例２の鉛合金層は、圧電体を成膜させるＰｔ層に圧電体をスパッタ成膜し、その後大気中、基板温度６５０℃の条件で加熱を行いＰｂをＰｔ層内に拡散させることで、Ｐｂ含有率の濃度勾配を持った鉛合金層を形成した。またこのときの圧電体との接触面での最大鉛含有率は３０質量％、振動板との接触面での最小鉛含有率は１質量％であった。
【００５８】
また、比較例１として、Ｐｔ金属のみを下部電極に用いたものを作製した。実施例１、２および比較例１の各層の構成、膜厚は次に示す通りである。なお、（    ）は基板と平行な面の優先結晶方位、［    ］は膜厚である。
【００５９】
上部電極Ｐｔ［０．２５μｍ］／Ｔｉ［０．０５μｍ］／／圧電体ＰＺＴ（００１）［３μｍ］／／鉛合金層［０．０２０μｍ］／Ｐｔ［０．５μｍ］／Ｔｉ［０．０５μｍ］／／振動板ＹＳＺ（１００）［２μｍ］／基板Ｓｉ（１００）［６００μｍ］
表１に実施例１、２、比較例１の鉛合金層の形態、鉛合金属厚さ、比抵抗、クロスカット剥離試験の結果を示す。
【００６０】
【表１】
2005353746.tif 000003
【００６１】
表１中の「鉛合金層の形態」とは下部電極中へ鉛合金がどの様な形態で含有しているかを示している。
比抵抗測定は、４端針法で行った。下部電極としてＰｔのみを用いた比較例１が最も低抵抗であった。実施例１、実施例２はともに１×１０-4（Ωｃｍ）オーダーであったが、電極として用いるには十分な抵抗であった。
【００６２】
剥離試験は、１ｍｍ間隔碁盤目テープ付着試験の方法で行った。そして、テープを剥がしたときの薄膜の剥離割合を評価し、層間の剥離が見られない剥離割合が１％以下の場合を「◎」、若干の層間の剥離が見られる剥離割合が２０％以下の場合を「○」、層間の剥離が見られる剥離割合が５０％以上の場合を「△」とした。
【００６３】
１ｍｍ間隔碁盤目テープ付着試験を行った結果、実施例１、２の下部電極のように鉛合金層を有するものは剥離がなかったが、下部電極中に鉛合金層がない比較例１では剥離がみられた。
表２に各アクチュエータに１０ｋＨｚの周波数で随時、電圧印加を増加させ、振動の振幅を大きくしていった結果を示す。表２にはこのときのアクチュエータの最大変位量が示されている。また、このときの実施例１，実施例２の圧電電歪薄膜の配向率はともに７５％であった。
【００６４】
【表２】
2005353746.tif 000004
【００６５】
表２より、下部電極材料として鉛合金層を２０ｎｍ含む実施例１のアクチュエータの変位量は０．４０ｎｍ、また下部電極材料として厚さ方向のＰｂ含有率の濃度勾配を有し、Ｐｔ層中のＰｂ含有率が最も大きな面からＰｂ含有率が１０質量％までの厚さが２０ｎｍである鉛合金層を含む実施例２のアクチュエータの変位量は０．５０ｎｍ、また下部電極としてＰｔのみを用いた比較例２のアクチュエータの変位量は０．２５ｎｍであった。
【００６６】
（実施例３、４）
実施例１、２および比較例１のアクチュエータをそれぞれ用いて図３のインクジェットヘッドを製作し、実施例３、４および比較例２とした。
図３において、本体基板部上に積層された振動板、下部電極、圧電電歪膜、上部電極の各膜の膜厚は、上部電極（Ｐｔ／Ｔｉ）０．３μｍ／圧電電歪膜３μｍ／下部電極（Ｐｔ／Ｔｉ）０．５５μｍ／振動板２μｍ／基板６００μｍである。また、１８０ｄｐｉを実現するために圧力室の幅は９０μｍ、圧力室壁の厚さは５０μｍとした。
【００６７】
アクチュエータの作製は、前述のように、Ｓｉ基板である本体基板部にスパッタ法で振動板を成膜した。このとき、基板を加熱し、８００℃の温度を保持しながら、成膜することによって、振動板は結晶成長し、高配向結晶を得ることができた。さらに、同様の方法で下部電極を振動板に成膜することで、高配向結晶薄膜を得ることができた。さらに、同様の方法で圧電体を下部電極上に成膜することで、高配向結晶の圧電電歪膜を得ることができた。上部電極は真空蒸着法により成膜した。
【００６８】
次いで、ＩＣＰを用いてＳｉ基板へ圧力室、液供給路を形成し、次に、液吐出口が空けられたノズルプレートを各圧力室部に対応して接合することでインクジェットヘッドを製造した。
表３に、実施例３、４および比較例２に２０Ｖ、１０ｋＨｚで電圧を印加したときの液体噴射ヘッドの液滴の吐出量と吐出速度を示す。
【００６９】
【表３】
2005353746.tif 000005
【００７０】
表３により、実施例３のインクジェットヘッドに２０Ｖの電圧を印加（１０ｋＨｚ）したときの吐出量は１７ｐｌ、吐出速度は１４ｍ／ｓｅｃ、実施例４のインクジェットヘッドに２０Ｖの電圧を印加（１０ｋＨｚ）したときの吐出量は１８ｐｌ、吐出速度は１５ｍ／ｓｅｃであった。これに対し、下部電極としてＰｔを用いた比較例２のインクジェットヘッドの吐出量、吐出速度はそれぞれ１５ｐｌ、１２ｍ／ｓｅｃであり、若干であったが、比較例２のものは耐久試験により１０7〜１０8回で剥離が生じ、不吐出のノズル部分が発生した。それに対して、本発明のものは１０8回をこえても不吐ノズルはなかった。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】一実施の形態による液体噴射ヘッドを示す斜視図である。
【図２】図１の装置のアクチュエータの構成を示す模式図である。
【図３】図１の液体噴射ヘッドの断面構造を示す一部破断部分斜視図である。
【符号の説明】
【００７２】
１  本体基板部
２  液吐出口
３  圧力室
４  ノズルプレート
１０  アクチュエータ
１１  振動板
１２  圧電体
１３  下部電極
１４  上部電極
【図１】
2005353746.tif 000006
【図２】
2005353746.tif 000007
【図３】
2005353746.tif 000008